No início, a humanidade não conhecia os meios para se obter a energia a partir da matéria. Desse
modo, a energia era fornecida pelo próprio trabalho humano ou pelos trabalhos de animais domésticos.
Somente no século XVIII, com o advento das máquinas a vapor , conseguiu-se transformar a energia da
matéria em trabalho. Porém, o homem apenas teve a sua condição de trabalho mudada, passando do
trabalho puramente braçal ao trabalho mental. Nesse momento, cabia ao homem o esforço de tentar
“controlar” esta nova fonte de energia, exigindo dele então muita intuição e experiência, além de expô-
lo constantemente ao perigo devido a falta de segurança. No princípio, isso foi possível devido à baixa
demanda. Entretanto, com o aumento acentuado da demanda, o homem viu-se obrigado a desenvolver
técnicas e equipamentos capazes de substituí-lo nesta nova tarefa, libertando-o de grande parte deste
esforço braçal e mental. Daí então surgiu o controle automático que, quanto à necessidade, pode assim
ser classificado:
O primeiro controlador automático industrial de que há notícia é o regulador centrífugo
inventado em 1775, por James Watts, para o controle de velocidade das máquinas à vapor.
Esta invenção foi puramente empírica. Nada mais aconteceu no campo de controle até 1868,
quando Clerk Maxwell, utilizando o cálculo diferencial, estabeleceu a primeira análise matemática do
comportamento de um sistema máquina-regulador.
Por volta de 1900 aparecem outros reguladores e servomecanismos aplicados à máquina a vapor,
a turbinas e a alguns processos.
Durante a primeira guerra mundial, N. Minorsky cria o servocontrole, também baseado na
realimentação, para a manutenção automática da rota dos navios e escreve um artigo intitulado
“Directional Stability of Automatically Steered Bodies”.
O trabalho pioneiro de Norbert Wiener (1948) sobre fenômenos neurológicos e os sistemas de
controle no corpo humano abreviou o caminho para o desenvolvimento de sistemas complexos de
automação.
A partir daqui o progresso do controle automático foi muito rápido. Atualmente existe uma
enorme variedade de equipamentos de medidas primárias, transmissão das medidas (transmissores), de
regulação (controles pneumáticos, elétricos e eletrônicos), de controle final (válvulas pneumáticas,
válvulas solenóide, servomotores etc.), de registro (registradores), de indicação (indicadores analógicos
e digitais), de computação (relés analógicos, relés digitais com microprocessador), PLC’s, SDCD’s etc.
Estes equipamentos podem ser combinados de modo a constituírem cadeias de controle simples
ou múltiplas, adaptadas aos inúmeros problemas de controle e a um grande número de tipos de
processos.
Em 1932, H. Nyquist, da Bell Telephone, cria a primeira teoria geral de controle automático com
sua “Regeneration Theory”, na qual se estabelece um critério para o estudo da estabilidade.
13.2) CONCEITOS E CONSIDERAÇÕES BÁSICAS DE CONTROLE AUTOMÁTICO
O controle Automático tem como finalidade a manutenção de uma certa variável ou condição
num certo valor ( fixo ou variante). Este valor que pretendemos é o valor desejado.
Para atingir esta finalidade o sistema de controle automático opera do seguinte modo:
A-Medida do valor atual da variável que se quer regular.
B-Comparação do valor atual com o valor desejado ( sendo este o último indicado ao sistema de
controle pelo operador humano ou por um computador). Determinação do desvio.
C-Utilização do desvio ( ou erro ) para gerar um sinal de correção.
D-Aplicação do sinal de correção ao sistema a controlar de modo a ser eliminado o desvio, isto
é, de maneira a reconduzir-se a variável ao valor desejado. O sinal de correção introduz pois
variações de sentido contrário ao erro.
Resumidamente podemos definir Controle Automático como a manutenção do valor de uma
certa condição através da sua média, da determinação do desvio em relação ao valor desejado, e da
utilização do desvio para se gerar e aplicar um ação de controle capaz de reduzir ou anular o desvio.
Para concretizar vamos considerar o controle de temperatura da água contida num depósito, de
uma maneira simplificada ( fig.2.1).
De todas as grandezas relativas ao sistema ( Nível,
pressão, vazão, densidade, pH, energia fornecida,
salinidade etc.) a grandeza que nos interessa, neste caso,
regular é a temperatura da água. A temperatura é então a
variável controlada.
Um termômetro de bulbo permite medir o valor
atual da variável controlada. As dilatações e contrações do
fluido contido dentro do bulbo vão obrigar o “Bourdon”(
Tubo curvo de seção elipsoidal) a enrolar ou desenrolar. Os
movimentos do extremo do bourdon traduzem a
temperatura da água, a qual pode ser lida numa escala.
No diagrama representa-se um contato elétrico no
extremo do bourdon e outro contato de posição ajustável à nossa vontade. Este conjunto constitui um
“Termostato”. Admitamos que se quer manter a temperatura da água nas proximidades de 50 °C. Este
valor da temperatura da água é o valor desejado.
Se a temperatura, por qualquer motivo, ultrapassar o valor desejado, o contato do termostato está
aberto. A bobina do contator não está excitada e o contator mantém interrompida a alimentação da
resistência de aquecimento. Não havendo fornecimento de calor , a temperatura da água vai descer
devido às perdas. A temperatura aproxima-se do valor desejado. Quando, pelo contrário, a temperatura é
inferior ao valor desejado o bourdon enrola e fecha o contato do termostato. O contator fecha e vai
alimentar a resistência de aquecimento. Em conseqüência, a temperatura da água no depósito vai subir
de modo a aproximar-se de novo do valor desejado.
Normalmente as cadeias de controle são muito mais elaboradas. Neste exemplo simples
encontramos contudo as funções essenciais de uma malha de controle.
Medida - A cargo do sistema termométrico.
Computação - Geração do sinal de correção ( efetuada também pelo sistema de contatos e pelo
resto do circuito elétrico do termostato.
Correção -Desempenhada pelo órgão de Controle - Contator
Observa-se que , para a correção da variável controlada ( temperatura) deve-se atuar sobre
outra variável ( quantidade de calor fornecida ao depósito). A ação de controle é aplicada, normalmente,
a outra variável da qual depende a variável controlada e que se designa com o nome de variável
manipulada. No nosso exemplo, o “Sinal de Controle “ pode ser a corrente elétrica i.
Como veremos mais tarde, estamos diante de uma malha de controle do tipo ON-OFF. O sinal de
controle apenas pode assumir dois valores. Na maior parte dos casos , como se verá, a função que
relaciona o sinal de controle com o desvio é muito mais elaborada. Podemos agora representar um
diagrama simbólico das várias funções e variáveis encontradas (fig.2.2). Alguns dos elementos de
medida e os elementos de comparação e de computação fazem normalmente parte do instrumento
chamado de “CONTROLADOR”.
Para facilitar o entendimento de alguns termos que aqui serão utilizados, a seguir, serão dadas de
forma sucinta suas definições:
Planta: Uma planta é uma parte de um equipamento, eventualmente um conjunto de itens de
uma máquina, que funciona conjuntamente, cuja finalidade é desenvolver uma dada operação.
Processo: Qualquer operação ou sequência de operações, envolvendo uma mudança de estado,
de composição, de dimensão ou outras propriedades que possam ser definidas relativamente a um
padrão. Pode ser contínuo ou em batelada.
Sistemas: É uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e realizam um certo
objetivo.
Variável do Processo (PV): Qualquer quantidade, propriedade ou condição física medida a fim
de que se possa efetuar a indicação e/ou controle do processo (neste caso, também chamada de variável
controlada).
Variável Manipulada ( MV): É a grandeza que é operada com a finalidade de manter a variável
controlada no valor desejado.
Set Point (SP) Set Valor (SV): ou
É um valor desejado estabelecido previamente como
referência de ponto de controle no qual o valor controlado deve permanecer.
Distúrbio (Ruído): É um sinal que tende a afetar adversamente o valor da variável controlada.
Desvio: Representa o valor resultante da diferença entre o valor desejado e o valor da variável
controlada.
Ganho: Representa o valor resultante do quociente entre a taxa de mudança na saída e a taxa de
mudança na entrada que a causou. Ambas, a entrada e a saída devem ser expressas na mesma unidade.
13.2.1) TIPOS DE CONTROLE
13.2.1.1) Controle Manual e Controle Automático
Para ilustrar o conceito de controle manual e automático vamos utilizar como processo típico o
sistema térmico das figuras 2.3 e 2.4 . Inicialmente considere o caso em que um operador detém a
função de manter a temperatura da água quente em um dado valor. Neste caso, um termômetro está
instalado na saída do sistema , medindo a temperatura da água quente. O operador observa a indicação
do termômetro e baseado nela, efetua o fechamento ou abertura da válvula de controle de vapor para que
a temperatura desejada seja mantida.
Deste modo, o operador é que está efetuando o controle através de sua observação e de sua
ação manual, sendo portanto, um caso de “Controle Manual”.
Considere agora o caso da figura 2.4, onde no lugar do operador foi instalado um instrumento
capaz de substituí-lo no trabalho de manter a temperatura da água quente em um valor desejado. Neste
caso, este sistema atua de modo similar ao operador, tendo então um detector de erro, uma unidade de
controle e um atuador junto à válvula, que substituem respectivamente os olhos do operador, seu cérebro
e seus músculos. Desse modo, o controle da temperatura da água quente é feito sem a interferência
direta do homem, atuando então de maneira automática, sendo portanto um caso de “Controle
Automático”.
Controle em que a energia necessária para movimentar a parte operacional pode ser obtida
diretamente, através da região de detecção, do sistema controlado. Deste modo, este controle obtém toda
a energia necessária ao seu funcionamento do próprio meio controlado. Este controle é largamente
utilizado em aplicações de controle de pressão e menos comumente no controle de temperatura, nível,
etc. A figura 2.5 mostra um exemplo típico de sistema de controle de pressão, utilizando uma válvula
auto-operada.
13.2.1.3) Controle em Malha Aberta e Malha Fechada
Os sistemas de controle são classificados em dois tipos: sistemas de controle em malha aberta e
sistemas de controle em malha fechada. A distinção entre eles é determinada pela ação de controle, que
é componente responsável pela ativação do sistema para produzir a saída.
a) Sistema de Controle em Malha Aberta: É aquele sistema no qual a ação de controle é independente
da saída, portanto a saída não tem efeito na ação de controle. Neste caso, conforme mostrado na fig. 2.6,
a saída não é medida e nem comparada com a entrada. Um exemplo prático deste tipo de sistema , é a
máquina de lavar roupa. Após ter sido programada, as operações de molhar, lavar e enxaguar são feitas
baseadas nos tempos pré-determinados. Assim, após concluir cada etapa ela não verifica se esta foi
efetuada de forma correta ( por exemplo, após ela enxaguar, ela não verifica se a roupa está totalmente
limpa).
b) Sistema de Controle em Malha Fechada: É aquele no qual a ação de controle depende, de algum
modo, da saída. Portanto, a saída possui um efeito direto na ação de controle. Neste caso, conforme pode
ser visto através da figura 2.7, a saída é sempre medida e comparada com a entrada a fim de reduzir o
erro e manter a saída do sistema em um valor desejado. Um exemplo prático deste tipo de controle, é
o controle de temperatura da água de um chuveiro. Neste caso, o homem é o elemento responsável pela
medição da temperatura e baseado nesta informação, determinar uma relação entre a água fria e a água
quente com o objetivo de manter a temperatura da água no valor por ele tido como desejado para o
banho.
13.2.2) REALIMENTAÇÃO
É a característica do sistema de malha fechada que permite a saída ser comparada com a entrada.
Geralmente a realimentação é produzida num sistema, quando existe uma sequência fechada de relações
de causa e efeito entre variáveis do sistema. Quando a realimentação se processa no sentido de eliminar
a defasagem entre o valor desejado e o valor do processo, esta recebe o nome de realimentação negativa.
13.2.3) DIAGRAMA DE BLOCOS
Um sistema de controle pode consistir de vários componentes, o que o torna bastante difícil de
ser analisado. Para facilitar o seu entendimento e a fim de mostrar as funções desempenhadas por seus
componentes, a engenharia de controle utiliza sempre um diagrama denominado “Diagrama de Blocos”.
Diagrama de blocos de um sistema é uma representação das funções desempenhadas por cada
componente e do fluxo de sinais. Assim, conforme pode ser visto na figura 2.8 , os componentes
principais de um sistema são representados por blocos e são integrados por meio de linhas que indicam
os sentidos de fluxos de sinais entre os blocos. Estes diagramas são, então utilizados para representar as
relações de dependência entre as variáveis que interessam à cadeia de controle.
13.2.4) ATRASOS NO PROCESSO
Todo processo possui características que determinam atraso na transferência de energia e/ou
massa, o que consequentemente dificulta a ação de controle, visto que elas são inerentes aos processos.
Quando, então, vai se definir o sistema mais adequado de controle, deve-se levar em consideração estas
características e suas intensidades. São elas: Tempo Morto, Capacitância e Resistência.
13.2.4.1) Tempo Morto
É o intervalo de tempo entre o instante em que o sistema sofre uma variação qualquer e o
instante em que esta começa a ser detectada pelo elemento sensor. Como exemplo veja o caso do
controle de temperatura apresentado na figura 2.9. Para facilitar, suponha que o comprimento do fio de
resistência R seja desprezível em relação à distância l(m) que o separa do termômetro e que o diâmetro
da tubulação seja suficientemente pequeno.
Se uma tensão for aplicada em R como sinal de entrada fechando-se a chave S conforme a figura
2.10, a temperatura do líquido subirá imediatamente. No entanto, até que esta seja detectada pelo
termômetro como sinal de saída, sendo V(m/min) a velocidade de fluxo de líquido, terá passado em
tempo dado por L = l/V (min). Este valor L corresponde ao tempo que decorre até que a variação do
sinal de entrada apareça como variação do sinal de saída recebe o nome de tempo morto. Este elemento
tempo morto dá apenas a defasagem temporal sem variar a forma oscilatória do sinal.
13.2.4.2) Capacitância
A capacitância de um processo é um fator muito importante no controle automático. É uma
medida das características próprias do processo para manter ou transferir uma quantidade de energia ou
de material com relação a uma quantidade unitária de alguma variável de referência.
Em outras palavras, é uma mudança na quantidade contida, por unidade mudada na variável de
referência. Como exemplo veja o caso dos tanques de armazenamento da figura 2.11. Neles a
capacitância representa a relação entre a variação de volume e a variação de altura do material do
tanque. Assim , observe que embora os tanques tenham a mesma capacidade ( por exemplo 100 m3),
apresentam capacitâncias diferentes.
Neste caso, a capacitância pode ser representada por :
13.2.4.3) Resistência
A resistência é uma oposição total ou parcial à transferência de energia ou de material entre as
capacitâncias. Na figura 2.12, está sendo mostrado o caso de um processo contendo uma resistência e
uma capacitância.
Observação : O efeito combinado de suprir uma capacitância através de uma resistência produz um
tempo de retardo na transferência entre capacitâncias. Tal tempo de retardo devido à resistência-
capacitância (RC) é frequentemente chamado de “atraso de transferência”.
13.3) CARACTERÍSTICAS DE PROCESSOS INDUSTRIAIS
O dicionário MERRIAN-WEBSTER define um processo, como uma operação ou
desenvolvimento natural, que evolui progressivamente, caracterizado por uma série de mudanças
graduais que se sucedem, uma em relação às outras, de um modo relativamente fixo e objetivando um
particular resultado ou meta. No âmbito industrial o termo processo significa uma parte ou um elemento
de uma unidade de produção; por exemplo um trocador térmico que comporta uma regulação de
temperatura ou um sistema que objetiva o controle de nível de uma caldeira de produção de vapor.
A escolha de que tipo de malha de controle a utilizar implica em um bom conhecimento do
comportamento do processo. O nível da caldeira ou a temperatura apresenta uma inércia grande ? é
estável ou instável ? Tem alto ganho ? Possui tempo morto ? Se todos esses questionamentos estiverem
resolvidos você terá condições para especificar uma malha de controle mais apropriada para sua
necessidade, em outras palavras, o melhor controle é aquele que é aplicado num processo perfeitamente
conhecido.
13.3.1) PROCESSOS DE FABRICAÇÃO CONTÍNUA E DESCONTÍNUA
13.3.1.1) Processos Contínuos
Em um processo contínuo o produto final é obtido sem interrupções como no caso da produção de vapor
de uma caldeira.
13.3.1.2) Processos Descontínuos
Um processo descontínuo é um processo que seu produto final é obtido em uma quantidade
determinada após todo o ciclo. A entrada de novas matérias primas só se dará após o encerramento desse
circuito.
Exemplo: considere a produção de massa de chocolate.
Etapas:
•
Introduzir o produto A, B e C;
•
Aquecer a misturar por 2 horas misturando continuamente;
•Escoar produto final para dar início a nova Batelada.
Os processos descontínuos são também conhecidos processos de batelada.
13.3.2) REPRESENTAÇÃO E TERMINOLOGIA DE PROCESSOS
13.3.2.1) Esquema de Funcionamento e Diagrama de Bloco
O esquema da figura 3.3, abaixo representa um tanque, uma bomba e tubulações. Todos esses
elementos constituem o processo.
As variáveis físicas envolvidas:
•A vazão de entrada: Qe
•A vazão de saída: QS
•O nível do tanque: L
As vazões Qe e Qs são variáveis independentes do processo e são chamadas de variáveis de
entrada do processo cujo produto é o nível. A variação de uma delas, ou de ambas influencia a variável
principal, o nível “L”.
O esquema de funcionamento da fig. 3.3 pode ser representado também conforme o diagrama da
fig. 3.4. O retângulo representa simbolicamente o processo.
13.3.2.2) Processos e a Instrumentação
A representação do diagrama de nível da fig. 3.3 com o seu sistema de controle é mostrado na
fig. 3.5 .
Podemos observar na fig. 3.5 que a variável Qe é manipulável através da válvula controladora de
nível. Normalmente é chamada de variável reguladora. A variável Qs é chamada de variável
perturbadora do nível pois qualquer variação de seu estado o nível poderá ser alterado. Para diferenciar
variáveis reguladoras de variáveis perturbadoras, utilizamos a representação da fig. 3.6 ou 3.7.
13.3.3) PROCESSOS MONOVARIÁVEIS E MULTIVARIÁVEIS
Foi incorporado um sistema de aquecimento no tanque da figura 3.7 que utiliza uma resistência
R de aquecimento para aquecimento do fluido.
Desta forma podemos evidenciar:
Variáveis controladas:
- Nível L no tanque
- Temperatura Te de saída
Variáveis reguladoras:
- Vazão Qe de entrada
- Tensão U de alimentação da resistência
Variáveis perturbadora:
- Temperatura Te de entrada do fluido
- Vazão de saída Qs
O diagrama de bloco da fig. 3.8b, mostra as interações entre as variáveis reguladoras (ou
manipuladas) e as variáveis do processo (ou controladas). Podemos observar que a variação em U faz
com que apenas a temperatura de saída Ts varie e que uma variação em Qe, provocará variações em “L”
e “Ts”, simultaneamente. Por essa razão o processo é dito multivariável.
De uma forma genérica, um processo é dito multivariável quando uma variável reguladora
influencia mais de uma variável controlada.
Um processo monovariável é um processo que só possui variável reguladora que influencia
apenas uma variável controlada. No meio industrial o tipo multivariável é predominante.
13.3.4) PROCESSOS ESTÁVEIS E INSTÁVEIS
13.3.4.1) Processos Estáveis (ou Naturalmente Estáveis)
Consideremos o nível “L” do tanque da fig. 3.9. A vazão de saída Qs é função do nível “L”
L
k
Após um período de tempo o nível estabilizará em um novo patamar N1, isso implicará que a vazão de
saída Qs será igual a vazão de entrada Qe. Quando isso ocorre, afirmamos que o processo considerado é
um processo estável ou naturalmente estável.
13.3.4.2) Processos Instáveis (ou Integrador)
Modificando o processo anterior com escoamento natural por um forçado, ou seja, acrescentando
uma bomba de vazão constante Qs (fig. 3.10) e repetindo o procedimento anterior observamos que o
nível não se estabilizará. Esses processos recebem o nome de processo instáveis ou integrador.
13.3.5) PARÂMETROS DE RESPOSTA DE UM PROCESSO
Mostramos anteriormente que a resposta de um processo, há uma determinada excitação, poderá
ser do tipo estável ou instável. Nesta seção determinaremos os parâmetros que caracterizam o processo a
partir da mesma resposta obtida anteriormente. O conhecimento desses parâmetros nos auxiliará a
decidir sobre a otimização da malha de controle.
13.3.5.1) Processos Estáveis
Considerando o diagrama de um trocador de calor da fig. 3.11 com o controlador em manual
No documento
APOSTILA+DE+SENSORES
(páginas 57-71)